汽车机械式变速器的可靠性优化设计综述

周静

【摘  要】随着现代科学技术的发展，汽车工业也迅速发展起来，由于各种各样的因素，交通事故的发生率也越来越高。为了降低交通事故的发生率，可以从改善汽车性能这一方面进行考虑。作为传动系统的主要组成部分之一，变速器可以改善汽车行驶的安全性和平稳性，因此，为了提高汽车的行驶安全性，降低交通事故的发生率，变速器也必须进行优化设计，本文从传统的汽车机械式变速器的可靠性方面对变速器提出了优化设计要求。

Abstract：With the development of modern science and technology，the automobile industry has also developed rapidly.Due to various factors，the incidence rate of traffic accidents is getting higher and higher.In order to reduce the incidence of traffic accidents，the improvement of vehicle performance can be considered.As one of the main components of the transmission system，transmission can improve the car's safety and stability，therefore，in order to improve the driving safety of cars and reduce the incidence of traffic accidents，transmission must be also optimized design，this article put foward optimization design from the traditional mechanical transmission reliability.

【关键词】机械式变速器;可靠性;优化设计

Key words：mechanical transmission;reliability;optimization design

引言

随着近年来交通事故越来越多，大众对汽车的安全性也越来越关注。但是作为我国目前主要的交通工具之一，汽车给我们的生活带来了很大的便利，因此必须要改进汽车的性能以降低交通事故发生率。变速器在汽车传动系统中起着主要作用，能够根据不同的行驶条件改变汽车的传动比，并使发动机在有利工况下工作，对汽车的行驶安全性有直接影响。但传统的机械式变速器仍存在很多问题，如果不对其进行优化设计，汽车的安全性得不到保障且机械式变速器也会逐渐失去使用价值。

1 汽车机械式变速器概述及现状分析

随着技术的发展，越来越多的汽车使用内燃机为汽车运行提供动力。但内燃机转速变化较小，成本较高，因此与机械式变速器汽车相比，具有一定的劣势。与众多新型变速器相比，传统的机械式变速器的优势在于它的价格更低，但使用寿命和使用效率较高，驾驶员的驾驶体验感更好，且技术成熟，但是操纵复杂，操纵方便性差，不便于驾驶人及时操作，且换挡冲击大，进行优化设计后可解决这一问题。

传统的变速器可分为有级式变速器、无级式变速器及综合变速器，应用最广泛的是有级式变速器。有级式变速器使用齿轮传动技术提供汽车运行需要的动力;无级式变速器的传动比能够实现多级变化，相比有级式变速器，具有更高的使用价值;综合式变速器传动效率低，在使用上具有一定劣势1。在这三种变速器中，无级式变速器提高了发动机的负荷率，改善了汽车的加速与爬坡能力，另一方面，无级式变速器也增加了发动机在低油耗区工作的可能性，降低了油耗。因此，无级式变速器可以有效改善汽车的燃油经济性和动力性，未来变速器的发展趋势是无级式变速器。

2 汽车机械式变速器存在的问题

随着制造行业的迅速发展，以提高汽车的安全性能，减少交通事故的发生为目的，一般会对传动系统进行优化，在对传动系统的优化过程中，主要是对传动系统中的变速器进行优化。这样能够使变速器的性能得到提升，但有时其性能会达不到设计要求。因此，还需要对机械式变速器的可靠性进行优化设计，最终实现汽车轻量化的设计，确保汽车变速器性能的稳定。

传统的机械式变速器体积较大，而且换挡冲击大，这使汽车不容易做到轻量化。机械式变速器由于有齿轮组作支撑，每个档位有固定的齿轮数量，因此缺少灵活性，在速度应急上有一定的劣势。其内部是机械作支撑，机械寿命有限，需要定期检查，否则会由于机械老化使汽车出现故障，产生安全性问题。且传统的机械式变速器汽车具有尾气排放控制问题，污染环境。这就是机械式变速器存在的问题。

3 汽车机械式变速器可靠性优化设计

3.1建立目标函数

汽车机械式变速器的优化方向是轻量化，但是做到轻量化的同时会降低可靠性，因此，在进行优化设计时，要同时考虑这两方面的因素。机械式变速器的结构中包含着很多齿轮结构，用以改变换挡时的传动比，所以，对变速器的可靠性进行优化其实就是对齿轮进行优化，并且实现其轻量化设计，其轻量化设计的实质就是缩小变速器齿轮系统的体积2。目前所見的变速器优化设计模型中，大多数目标函数为缩小齿轮系统的体积。

3.2选取设计变量

有很多因素影响了机械式变速器的设计及优化过程，因此变速器的优化过程中涉及很多参数，这是一个非常繁琐的过程。为了简化设计，在设计及优化的过程中只考虑影响较大的参数，并将其作为优化过程中的设计变量。

3.3 确定约束条件

机械式变速器优化设计的约束条件主要有以下几种。

3.3.1变速器最大传动比约束

汽车的最大爬坡度、附着率及汽车最低稳定车速决定了传动系统的最大传动比。因此，这三个因素就是变速器最大传动比的约束条件。

3.3.2中心距约束

中心距对于机械式齿轮的性能存在较大影响，它决定变速器的体积大小，因此为了实现轻量化需要对其进行约束3。

3.3.3重叠系数约束

要求齿轮传动的轴向重叠系数大于等于1以保证齿轮传动的平稳性。

3.3.4斜齿轮可靠性约束

斜齿轮由齿面接触疲劳强度及齿根弯曲疲劳强度进行可靠性约束。

3.3.5变速器使用性能约束

变速器的使用性能的主要影响因素是各档传动比，比值过大会导致换挡困难。比值过小，会造成档位数太多，使变速器结构过于复杂复杂。这就是变速器使用性能的约束条件。

3.3.6中间轴轴向力约束

斜齿轮由于螺旋角的存在，传递扭矩时，在齿轮轴上存在一定的轴向力。设计时应使中间轴轴向力大致趋于平衡，又不应使轴向力完全抵消4。

3.3.7边界约束条件

机械式变速器优化设计的边界约束条件包括模数约束、螺旋角约束、齿宽约束及中间轴1挡小齿轮齿数约束。

4 结语

随着人们的生活水平和经济能力的不断提高，人们对汽车的经济承担能力也越来越强，这就导致了汽车保有量的上升以及大众对汽车各方面的质量要求也越来越高。现代科学技术发展越来越快，汽车零部件的制造工艺的优化过程也越来越完整，因此，汽车的生产制造质量也越来越高，汽车的安全性也就可以得到保障。作为在汽车传动系统中其主要作用的部件之一，对其进行优化设计，可以提高汽车的安全性。而可靠性影响着汽车整车质量的稳定性及整车性能，所以需要在变速器的可靠性方面进行优化设计。

参考文献：

[1]杨家印.汽车机械式变速器可靠性优化设计[J].汽车设计，2017，22：68-69.

[2]刘娟，卢彦峰.汽车机械式变速器可靠性设计与优化分析[J].自动化与仪器仪表，2018，01：84-86

[3]黄瑾媛.汽车机械式变速器的可靠性优化设计研究[J].南方农机，2019，10：157.

[4]蔣春明，阮米庆.基于MATLAB的汽车机械式变速器的可靠性优化设计[J].轻型汽车技术，2016，06：7-10.

（作者单位：长安大学汽车学院）